新型特种复相铜合金的协调变形机制研究

Due to the poor coordinated deformation ability, difficult-to-machine and complex production process, the production cost of dispersion strengthened copper alloys is always too high, seriously restricting its wide application. In view of the bottleneck problem-poor coordinated deformation ability existing in dispersion strengthened copper alloys, the advanced multi-phase copper alloys with FeC phase were designed and prepared in this project. Making full use of the phase transformation of FeC phase, the multi-phase copper alloys can combine high strength and high coordinated deformation ability. The following researches, the control of microstructure repeatability, the structure and phase transformation of FeC phase, the relationship between microstructure and properties, coordinated deformation behaviors and strengthening, establishing and optimizing the predicting model for coordinated deformation behaviors, and the corresponding application for the predicting model, will be conducted by nano indenter, HRTEM, XRD, 3DAP, dynamic tension in-situ observed by SEM/TEM, and numerical modelling. At last, on the basis of obtained results, we can put forward the principle of multi-phase microstructure design, coordinated deformation mechanism, strenghtening mechanism, electric conduction mode, micromechanical composite model and so on. Hopefully, the systematical researches in this proposal can give a good instruction on the further development, processing and application of the advanced multi-phase copper alloys, and better to study the coordinated deformation mechanism and other key scientific issues in multi-phase alloys.

由于陶瓷粒子弥散强化铜合金协调变形性能差，加工难度大再加上生产工艺复杂使的该类合金生产成本一直居高不下，严重限制了其应用范围。针对弥散强化铜合金协调变形性能差的这一瓶颈问题，本项目设计并制备了由FeC相构成的新型复相铜合金。充分利用FeC相马氏体和奥氏体之间的相变，使复相合金兼具有高强度和高协调变形能力等特性。本项目拟采用纳米显微力学探针、HRTEM、XRD、3DAP显微组织精细表征、SEM/TEM动态拉伸原位观察和数值模拟等方法，对合金显微组织重复性控制，FeC相结构和相变规律，组织性能间的定量关系，合金协调变形行为、强化及其理论模型创建、优化和应用等展开研究。通过研究掌握并提出合金复相组织搭配原则、协调变形机制及微机械复合材料预测模型等。本研究不仅对新型复相铜合金的进一步开发、加工和应用具有重要指导作用，而且对于更好地研究其它复相合金协调变形机制等共性关键科学问题也具有重要的科学意义。

针对高强度铜合金普遍存在加工难度大的共性问题，本项目充分利用Fe-C相处于奥氏体状态（fcc结构）具有优异的加工性能，而处于马氏体结构或bcc结构又可表现出较好的强化效果，设计并开发了几种不同浓度新型Cu-Fe-C复相合金（Fe-C相浓度分别为1.0wt%，3.0wt%，5.0wt%）。由于结构可调控Fe-C相的含量、尺寸、结构、形态以及分布状态等对合金变形行为影响显著，本项目在调控Fe-C相的基础上系统深入研究了该复相合金的协调变形行为及其相关机理，具体包括：（a）优异复相组织的重复性控制；（b）Fe-C相调控、结构和相变规律；（c）复相铜合金协调变形机制研究；（d）复相铜合金强化、抗高温软化和导电机制研究；（e）复相铜合金协调变形行为理论预测及其应用；（f）基于理论和实验结果开发了更高浓度典型复相铜合金模型材料（10.0wt%）。研究表明，Fe-C相含量为1.0，3.0，和5.0 wt%的复相铜合金均能获得优异的复相组织，不过随其浓度增加，铜基体晶粒尺寸不断减小，且基体内均匀弥散分布的Fe-C相粒子尺寸和数量均有所增加；对快凝态、冷轧态、热处理态对应的Fe-C相精细表征显示，Fe-C与基体界面结合良好，快凝态大部分Fe-C相均处于fcc结构的奥氏体，仅有少部分处于bcc结构的铁素体和Fe3C渗碳体，此组织特征使得该状态合金具有优异的协调变形性能，冷加工变形量可达到95%以上，且在变形过程中或经高温淬火处理均可诱发Fe-C相的马氏体相变。此新型复相铜合金正是由于Fe-C相可以发生fcc结构奥氏体与bcc或马氏体结构相之间的转变，使得该合金可以兼具有高强度和高加工变形能力等突出优点。根据成分-工艺参数-组织-性能间定量关系创建了协调变形理论模型，利用其指导并制备了组织和性能优异的更高浓度复相铜合金模型材料。本研究不仅对新型复相铜合金的进一步开发、加工和应用具有重要指导作用，而且对于更好地研究其它复相合金协调变形机制等共性关键科学问题也具有重要的科学意义。